Темпоральный кристалл самопроизвольно возник из хаотических колебаний

Особая фаза материи, которая получила название темпорального кристалла, — это система с нарушением симметрии относительно сдвига по времени. Идея существования таких систем была предложена в 2012 году, а вскоре были эксперементально продемонстрированы первые квантовые «кристаллы времени». Теперь их находят в различных системах от атомных решеток до левитирующего пенопласта, пишет Science Alert.

Группа физиков из разных стран обнаружила еще один способ возникновения темпорального кристалла — не через навязанный извне ритм, а через спонтанный процесс, в котором конкурирующие колебания постепенно синхронизируются, и порядок постепенно возникает из хаоса. Изготовив двумерный метаматериал, ученые наблюдали в нем, как небольшие быстрые колебания уступают место все более крупным и медленным волнам, пока вся структура не начинает двигаться синхронно. Они назвали этот процесс «укрупнением волн» (wave coarsening).

Один из возможных путей к такому порядку лежит во взаимодействии разных частей материала. Для того чтобы увидеть, что происходит с волнами, когда влияние одной части системы на другую не взаимно, они изготовили необычный метаматериал. Он состоит 37 элементов, собранных в форме соты. Каждый из элементов состоит из трех эластичных шестиугольников с датчиками, приводами и крошечным электронным контроллером. Эти ячейки запрограммированы реагировать друг на друга: когда один шестиугольник сжимается, его сосед по часовой стрелке тоже сжимается, а сосед против часовой стрелки — расширяется.

Затем материал привели в движение, внеся небольшие случайные возмущения, и стали наблюдать. Сначала отдельные ячейки быстро вибрировали — около 30 раз в секунду, — но постепенно возникали более крупные волны, идущие по краю материала и подавляющие мелкие колебания. По мере удлинения волн, колебания замедлялись, пока вся сота не начала двигаться вместе в едином синхронизированном ритме.

Для того чтобы доказать, что это действительно темпоральный кристалл, исследователи обратились к математическому анализу и компьютерным моделям. Результаты показали, что колебания остаются когерентными несмотря на возмущения, даже когда система приближается к эффективно бесконечному размеру.

После соты ученые собрали из ячеек кольцо, которое разместили на аэродинамическом столе, что позволило ей перемещаться практически без трения. Когда исследователи включили моторы и привели кольцо в движение, по его окружности побежали волны, деформируя его и превращая в череду постоянно меняющихся многоугольников. По мере того как волны становились длиннее и медленнее, у многоугольников уменьшалось число сторон, пока в движении кольца не начала преобладать единая крупномасштабная структура.

В этом эксперименте ученым удалось выявить важный аспект процесса укрупнения волн: рост амплитуды волн меняет динамику системы, создавая всё более благоприятные условия для волн с большей длиной волны. Эти более крупные волны, в свою очередь, усиливаются, еще больше смещая баланс в свою пользу. Возникает петля обратной связи: доминирующие волны становятся всё крупнее и медленнее — вплоть до того момента, когда их рост ограничивается размерами самого материала.

И, наконец, исследователи обнаружили, что этот процесс можно прервать введением трения. Это подавляет самые длинные волны, не давая колебаниям продолжать самоорганизовываться в структуры все большего размера. Тогда система переходит в иное упорядоченное состояние — устойчивые волны, распространяющиеся в одном направлении вдоль ее края.

Это говорит о том, что одни и те же фундаментальные физические принципы могут приводить к возникновению различных видов упорядоченного движения в зависимости от условий. Понимая, как управлять этими условиями, исследователи со временем смогут найти новые способы направлять колебания внутри специально созданных материалов.

Международная группа ученых создала и экспериментально продемонстрировала материал, который не просто пропускает или отражает свет, а может менять свои оптические свойства в такт с частотой самого света — и делать это в миллиардные доли секунды. Фотонный темпоральный кристалл открывает путь к сверхбыстрым оптическим компьютерам, новым системам связи и, возможно, к созданию лазеров совершенно нового типа.